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摘要：隨著物質消費水平的快速增長，中國成為全球第一大汽車消費市場，并隨即進入千千萬萬的中國家庭。一個全新車型的開發除了需要大量資金投入之外，還需經過縝密的調查設計，而cae技術在開發設計過程中的全面普及與應用，憑借自身仿真功能特性解決了傳統汽車設計過程中所面臨問題。文章研究并分析了CAE技術在汽車設計中的重要性，結合其在各設計階段的具體任務和流程，對其應用效果以及未來發展趨勢進行綜合探討，在確保汽車設計質量和設計效率全面提升的同時，最大限度的節省和降低開發所需時間和費用，為全球市場開發新型車型提供了技術支持。
關鍵詞：汽車設計；CAE技術；運用
1引言
對于汽車設計和開發而言，若未能在設計活動開展前進行深入分析，后期容易發生多次返工現象，喪失上市的最佳時機。為促使汽車設計質量以及設計效率的大幅提升，降低團隊在時間和費用方面的過度消耗，可嘗試性的在前期設計階段引入CAE技術。當前階段，CAE技術逐漸成為整車開發過程中一項較為關鍵的技術，無論是在汽車零部件結構設計還是其他相關產品設計方面均起到十分重要作用。從技術內容層面來看，CAE技術涵蓋了工程和制造業的方方面面，主要是通過對計算機技術的運用，實現對汽車產品可靠性以及性能等的綜合分析，與此同時，可對汽車產品的運動軌跡和失效形式進行仿真模擬，掌握汽車設計過程中各種潛藏性的隱患，因此，進一步擴大CAE技術在汽車設計中的應用范圍具有十分重要的現實意義。
2在汽車設計中應用CAE技術的重要性
第一，降低了汽車研發成本。傳統技術在汽車設計研發過程中表現出極強的復雜性，在設計、測試以及改進等流程中存在重復性。而CAE技術則通過仿真方法應對和解決汽車設計環節所面臨一系列問題，在某種程度上有助于設計研發成本的有效降低。第二，縮短設計周期。CAE技術徹底顛覆了傳統汽車設計理念和手段，以定量分析方式將設計方案的試驗保持在一定時間范圍之內，選擇其中最佳方案，減少了設計方案選擇的盲目性，極大的縮短了設計所需時長。第三，有效規避設計風險。對于汽車設計方案自身結構和性能的有效性，可通過CAE技術進行預先評估，以達到降低設計風險的目的。第四，優化汽車產品結構。CAE技術能夠促使汽車設計過程中相關產品結構的不斷優化，實現輕量化汽車結構參數的目標，減輕整車重量，提升汽車操作的穩定性與可靠性。
3CAE在整車開發各階段的任務
3.1可行性研究和概念設計階段
在汽車設計過程中尤其是轎車產品，通常情況下，都以“原車型”為基本車型，超前的“概念車”除外。但在實際開發設計過程中不可能與“原型車”達成高度一致，參數改變的可能性相對較大。在汽車設計系統中各參數之間具有一定的關聯性，臨時更改參數可能發生各種不良后果，因此需以CAE仿真技術對該問題進行深度解答。例如，即便是底盤結構始終保持不變，單純對車身造型做出調整，那么整車系統的質心、慣性矩等也會隨之產生變化，并對系統整體操縱穩定性、行駛性以及舒適性等產生直接影響。除此之外，車身結構的變化還在某種程度上間接影響車身的強度、自然頻率、空氣動力學特性、剛度、壽命、內部空氣流、熱交換以及轎廂的隔熱、通風、噪聲等等。對“原型車”和開發車系統以CAE技術進行仿真，可在概念設計階段實現對零部件、整車性能結構等可靠性的精準預測和控制，在開發設計前期階段便能夠為汽車性能和結構指標提供有效保障。
3.2產品設計階段
在產品設計階段，需對上一階段所確定設計目標進行驗證，如，整車設計目標、重要總成的設計目標等等。該階段在具體管理汽車零部件配套商時，應以CAE技術對零部件進行分析，綜合驗證傳統難以完成的各種設計目標。一方面，可積極推動相關配套的逐步健全與完善；另一方面，通過CAE技術對汽車零部件進行分析最終所得結果均屬于整車性能CAE的輸入。比如，在對汽車車身進行設計時，CAE技術則主要負責驗證車身結構。在具體分析和驗證車身時，交叉結構連接方法的選擇是其中一個重點，容易影響車身剛度和強度，應加強對其分析力度。通過大量試驗研究證明，車身結構之所以發生失效現象，主要是由于車身長時間處于過度疲勞狀態。且其中很大一部分原因是受車身在實際運行過程路面隨機載荷的形成而造成的影響。除此之外，深入研究并分析汽車車身結構的振動因素和疲勞原因便成為當前汽車設計主要任務之一。
3.3確認設計和投產準備階段
在設計和投產準備階段，已經生產制出汽車實物，逐漸開始了各種試驗，重點研究CAE相關性試驗內容，在與CAE相互聯合的基礎上完成對汽車產品的有效驗證和系統設計，對前期設計各環節所存在問題進行積極有效的調整與改進，有效提升汽車本身的安全性與可靠性。全面調查分析試驗過程中所形成的一系列輕量化、碰撞安全、剛度、NVH、疲勞、振動噪聲等問題，圍繞問題產生的主要原因，實現對后期各類優化措施從將的全面實施與有效驗證。與此同時，圍繞汽車所形成的相關設計圖紙資料基本上已經得到有效明確，供參考的試驗結果與試驗資料較為豐富，詳細分析汽車產品，以技術檔案形式對結果進行保存，并全面總結技術等相關內容。
4CAE分析的一般流程
圖1是在汽車設計過程中CAE分析所必須遵循的基本流程，可以看出以實驗標準以及CAE相關性研究為依據，當CAE分析在結果和實車試驗結果兩方面存在較大出入時，需對相關數據進行重新分析，直至與研究結果相一致時，方可開展對下一環節數據的優化，確保設計方案的最優化。
5CAE技術在汽車設計中的應用
5.1汽車產品結構、疲勞及NVH分析
深入分析汽車及其周邊產品的結構、NVH以及疲勞等情況，其中子系統及其零部件的強度、剛度、耐久特性等內容均屬于所需研究范圍。所謂NVH特性其主要指的是一種影響，該影響對象主要集中在汽車駕駛環境以及汽車振動噪聲性能等兩方面，主要包括整車、各子系統及各零部件的模態，主要為路面、發動機激勵的頻率響應分析、噪聲分析等等。
5.2汽車安全性能分析
汽車安全性能與駕駛員以及相關乘客生命財產安全息息相關，在汽車被動結構安裝過程中如何提升車身的防碰撞能力是其中所面臨的關鍵問題。對汽車正碰、后碰、側碰、行人保護和40%偏置碰等碰撞過程以CAE技術進行仿真模擬，由于碰撞屬大變形的非線性問題，汽車在對不同碰撞方式進行模擬時，需消耗大量試驗成本，而仿真模擬可有效彌補傳統技術在試驗陳本方面的不足，實現對試驗成本的有效縮短。
5.3汽車多體動力學分析
對汽車動力性能以多體動力學進行仿真試驗，提前預測整車的動力性能并做出系統優化，可促使汽車產品性能的有效提升，團隊在汽車設計研發過程中所消耗時間周期，避免在資金方面的過度浪費。而多體動力學所涵蓋范圍主要涉及兩個方面，一方面是動力學；另一方面是運動學仿真，具體到實際則包括汽車在具體操作過程中是否穩定、是否平順，汽車玻璃的升降效果以及雨刮器運動軌跡等等。
6CAE技術應用現狀及發展趨勢
作為機械制造行業的中堅力量，國家汽車工業發展水平是對國家制造業總體發展態勢的有效反映，無論是發達國家還是發展中國家，汽車工業都是其發展進程中至關重要的環節，一直以來，汽車工業在機械制造業中都起著標桿性作用，也代表高新技術行列的先驅。在現代計算機技術迅猛發展的今天，不斷有大量新型計算機仿真軟件出現，對CAE技術實際應用范疇進行了拓寬和強化，汽車工業中所能容納的CAE技術領域越來越廣泛，各學科之間通過相互滲透、相互聯系，以更加系統、更加全面的形式服務于汽車設計。此外，CAE分析對象實現了宏觀向微觀的積極轉變，現有的有限元網絡技術被無網格有限元技術所替代，神經網絡以及遺傳算法等優化算法的大范圍運用，成為未來CAE發展的主要趨勢，也在某種程度上有利于CAE技術的全面發展。
7結語
綜上所述，隨著科技的不斷進步與社會經濟的快速發展，汽車企業在開發設計中對CAE技術的應用越來越頻繁。CAE技術除了能夠降低設計研發陳本，縮短開發周期，規避風險之外，還能夠通過相關技術原理最大限度的發揮自身優勢，有效保障汽車設計的質量和效率，以自身直觀性特征展現汽車的真實的一面。此外，通過對CAE技術的有效應用，可實現對汽車產品結構、多體動力學以及安全性能等的全面分析，保護駕駛員的生命安全。
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作者:劉光勇 單位:重慶理工大學
